UvA-DARE (Digital Academic Repository) Genetic risk factors for common and rare cardiac rhythm disorders Marsman, Roos Link to publication Citation for published version (APA): Marsman, R. F. J. (2014). Genetic risk factors for common and rare cardiac rhythm disorders General rights It is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), other than for strictly personal, individual use, unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Disclaimer/Complaints regulations If you believe that digital publication of certain material infringes any of your rights or (privacy) interests, please let the Library know, stating your reasons. In case of a legitimate complaint, the Library will make the material inaccessible and/or remove it from the website. Please Ask the Library: http://uba.uva.nl/en/contact, or a letter to: Library of the University of Amsterdam, Secretariat, Singel 425, 1012 WP Amsterdam, The Netherlands. You will be contacted as soon as possible. UvA-DARE is a service provided by the library of the University of Amsterdam (http://dare.uva.nl) Download date: 23 Nov 2017
Nederlandse samenvatting
232
Dit proefschrift richt zich op het ontrafelen van genetische risicofactoren voor plotse hartdood in het kader van relatief zeldzame erfelijke hartritmestoornissen en in het kader van meer prevalente hart- en vaatziekten, met name het acute hartinfarct. Deze samenvatting is bedoeld voor niet-ingewijden. Voor de finesses verwijs ik u naar de Engelse samenvatting van mijn proefschrift. Jaarlijks overlijden in Nederland circa 16.000 mensen aan plotse hartdood (sudden cardiac death). In ruim 80% van de gevallen is plotse hartdood het gevolg van een levensbedreigende hartritmestoornis, met name ventrikelfibrilleren (VF). Bij VF is de elektrische activiteit van de hartkamers (ventrikels) zo snel en chaotisch, dat de pompfunctie van het hart volledig verloren gaat. Hierbij is dus feitelijk sprake van een functionele hartstilstand. Het merendeel van de mensen die getroffen wordt door levensbedreigende hartritmestoornissen is ouder dan 65 jaar, waarbij VF optreedt ten gevolge van een vernauwing of afsluiting (acuut hartinfarct) van een kransslagader, coronair lijden. Circa een kwart van de patiënten met een hartinfarct krijgt VF, echter de risicofactoren voor het krijgen van VF (en dus de kans op plotse hartdood) tijdens een infarct zijn veelal onbekend. Uit epidemiologische studies in de algehele populatie is gebleken dat het risico op plotse hartdood verhoogd is bij mensen met eerste-graads familieleden die plotseling zijn overleden. Meer specifiek onderzoek naar patiënten met een acuut hartinfarct liet ook zien dat een belaste familieanamnese voor plotse dood verhoogd risico geeft op VF. Het is dus zeer aannemelijk dat genetische componenten bijdragen aan het risico op plotse hartdood door VF. Het is echter grotendeels onduidelijk welke genetische factoren dit risico beïnvloeden en welke onderliggende mechanismen daarbij een rol spelen. Ook jonge (ogenschijnlijk gezonde) mensen zonder coronair lijden kunnen getroffen worden door ventriculaire ritmestoornissen zoals VF, hetgeen kan duiden op een familiaire hartziekte. In dit geval is er sprake van een relatief zeldzame afwijking (mutatie) in het erfelijke materiaal, het DNA. Deze aritmie syndromen (erfelijke hartritmestoornissen) zijn genetisch zeer heterogeen, waarbij eenzelfde ziekte veroorzaakt kan worden door mutaties in verschillende genen. Een breed spectrum aan mutaties in genen die coderen voor ionkanalen en voor eiwitten die een complex vormen met ionkanalen zijn reeds geassocieerd met erfelijke hartritmestoornissen. Ionkanalen (zoals het natriumkanaal) reguleren de passage van ionen (elektrisch geladen deeltjes) door de membraan van de hartspiercel en daarmee de voortgeleiding van de elektrische impuls in het hart. Binnen het continuüm van ziektebeelden die geassocieerd zijn met ventriculaire ritmestoornissen vormen de relatief zeldzame erfelijke aritmie syndromen enerzijds en de veelvoorkomende plotse hartdood in het kader van een acuut hartinfarct anderzijds de extremen. Bij de erfelijke aritmie syndromen zijn één of enkele specifieke mutaties in belangrijke mate verantwoordelijk voor een verhoogd risico op het ontstaan van ritmestoornissen. Daartegenover staat dat het risico op ritmestoornissen in het kader van een acuut hartinfarct multifactoriëel bepaald is, namelijk door een samenspel van meerdere genetische variaties met relatief beperkte invloed en omgevingsfactoren (zoals leefstijl, onderliggende (hart-)ziekte en medicatie). NEDERLANDSE SAMENVATTING 233
Samenvattend is het evident dat erfelijke factoren een rol spelen zowel bij de relatief zeldzame erfelijke hartritmestoornissen als bij de veelvoorkomende multifactoriële vorm van plotse hartdood. Gezien het plotselinge, vaak onverwachte en levensbedreigende aspect van VF is het van groot belang te herkennen welke individuen verhoogd risico lopen. Daarnaast is begrip van de onderliggende pathofysiologische mechanismen relevant voor het ontwikkelen van nieuwe behandelingsstrategieën. Derhalve is het identificeren van genetische determinanten die het risico op plotse hartdood bepalen essentieel, zowel in het onderzoek naar families met erfelijke hartritmestoornissen als in het onderzoek naar ventriculaire ritmestoornissen in de algehele populatie. Dit proefschrift richt zich aldus op het ontrafelen van genetische risicofactoren in het kader van: (1) Veelvoorkomende (common) multifactoriële vormen van plotse hartdood; (2) Zeldzame (rare) erfelijke aritmie syndromen Het proefschrift begint met twee inleidende hoofdstukken. In hoofdstuk 1 beschrijven we de achtergrond en de centrale onderzoeksvragen van dit proefschrift. In hoofdstuk 2 geven we een overzicht van recente ontwikkelingen binnen de genetica van ventriculaire hartritmestoornissen. Enerzijds beschrijven we nieuwe genetische methoden voor het opsporen van erfelijke factoren die een rol spelen bij plotse hartdood, anderzijds bespreken we recente studies waarin de pathofysiologische mechanismen van de elektrische activiteit van het hart en (ventriculaire) ritmestoornissen worden bestudeerd. Het proefschrift bestaat verder uit drie delen. Het eerste deel bestudeert het cardiale natriumkanaal en eiwitten die een complex vormen met dit kanaal. Het tweede deel onderzoekt de genetische defecten binnen twee aritmie syndromen die geassocieerd zijn met plotse hartdood op jonge leeftijd in twee niet-gerelateerde families. Het derde deel van dit proefschrift focust op het identificeren van genetische risicofactoren voor het optreden van ritmestoornissen tijdens een hartinfarct, en bestudeert het mechanisme waarmee een genetische variant het risico op ventriculaire ritmestoornissen beïnvloedt. Deel I Genetische en moleculaire aspecten van het cardiale natrium kanaal Het cardiale natriumkanaal speelt een belangrijke rol in de elektrische impulsgeleiding in het hart. Dysfunctie van dit kanaal, bijvoorbeeld door een mutatie in het gen dat codeert voor het natriumkanaal, SCN5A, kan leiden tot levensbedreigende hartritmestoornissen. In hoofdstuk 3 geven we een overzicht van de structuur, de biofysische eigenschappen en de reeds bekende eiwitten die een complex vormen met het natriumkanaal. Tevens bespreken we de klinische en genetische aspecten van aritmie syndromen die geassocieerd zijn met SCN5A mutaties, zoals het Brugada syndroom en het lange QT syndroom. Recent onderzoek heeft uitgewezen dat ionkanalen, zoals het natriumkanaal, onderdeel zijn van grote eiwitcomplexen en interacties aangaan met diverse eiwitten die invloed hebben op de expressie en functie van het ionkanaal. Deze geassocieerde eiwitten vormen 234
belangrijke kandidaten bij genetische studies naar families met aritmie syndromen. In hoofdstuk 4 hebben we een eiwit-eiwit interactie screen opgezet en uitgevoerd om eiwitten te identificeren die een interactie met het cardiale natriumkanaal aangaan. Met behulp van verschillende technieken zoals tandem affinity purification tagging ( TAP tagging ) en massa spectrometrie hebben we eiwitten geïdentificeerd die mogelijk de functie van het natriumkanaal beïnvloeden. Middels co-immunoprecipitatie experimenten bevestigden we de interactie van een van deze eiwitten, myoferlin, met het natriumkanaal. Myoferlin is een membraan eiwit dat in hart- en skeletspierweefsel tot expressie komt, en dat tot op heden nog niet met ziekte is geassocieerd. We toonden aan dat myoferlin co-lokaliseert met het natriumkanaal in de intercalated disc, een structuur aan de longitudinale zijde van hartspiercellen die belangrijk is voor de voortgeleiding van de elektrische impuls. In de toekomst zal genetisch onderzoek uitwijzen of mutaties in myoferlin geassocieerd zijn met erfelijke aritmie syndromen. Daarnaast zullen andere eiwitten die geïdentificeerd werden in toekomstige studies moeten worden gevalideerd middels co-immunoprecipitatie experimenten, en geselecteerde kandidaat eiwitten zullen nader bestudeerd worden in aanvullende biochemische, functionele en genetische onderzoeken naar het natriumkanaal macromoleculaire complex. Deel II Genetische risicofactoren voor familiaire hartritmestoornissen In het tweede gedeelte van dit proefschrift bestuderen we twee families met ventriculaire ritmestoornissen en plotse hartdood op jonge leeftijd, en is het doel om het genetisch defect van beide families in kaart te brengen. In hoofdstuk 5 onderzoeken we een relatief grote (vier generaties) familie met geleidingsstoornissen, boezemritmestoornissen en plotse dood. Middels koppelingsonderzoek (genome-wide linkage analysis), een genetische methode om een potentieel ziekte-geassocieerd gedeelte van het DNA te lokaliseren, identificeerden we een regio op chromosoom 1. Vervolgens werd gebruikt makend van multiplex ligationdependent probe amplification (MLPA) een grote deletie (ontbrekende stuk DNA) in het LMNA gen ontdekt. LMNA codeert voor lamin A/C, een kernmembraan eiwit dat eerder is geassocieerd met hartfalen en plotse hartdood. Verdere karakterisering van de deletie breekpunten wees uit dat de LMNA deletie waarschijnlijk tijdens DNA replicatie door slippage van DNA polymerase is ontstaan. Al met al laten deze resultaten zien dat de LMNA deletie ten grondslag ligt aan de geleidings- en ritmestoornissen in deze familie, en dat er grote klinische variatie bestaat met betrekking tot de ernst van de ziekte onder de mutatie dragers in de familie, een fenomeen dat variable expressivity wordt genoemd. In hoofdstuk 6 bestuderen we een relatief kleine familie met plotse hartdood als gevolg van idiopathisch (onverklaard) ventrikelfibrilleren (VF) op de kinderleeftijd. Het idiopathische aspect, dat wil zeggen het ontbreken van (meetbare) structurele en elektrische hartafwijkingen, maakt dat deze ziekte lastig te diagnosticeren is en compliceert genetische studies. We beschrijven een familie met zeven kinderen, waarvan twee plotseling zijn overleden, en twee succesvol zijn gereanimeerd rond het tiende levensjaar. Middels wholeexome sequencing, een techniek waarbij het gehele eiwit-coderende deel van het genoom gesequenced wordt, werd een zeer zeldzame mutatie (de substitutie van een fenylalanine NEDERLANDSE SAMENVATTING 235
voor een leucine, F90L) ontdekt in het evolutionair sterk geconserveerde CALM1 gen, dat codeert voor calmodulin. Calmodulin is een calcium-bindend eiwit, dat vrijwel in elk weefsel tot expressie komt. Recentelijk zijn mutaties in CALM1 en CALM2 gelinkt aan het lange QT syndroom en catecholaminerge polymorfe ventriculaire tachycardieën, twee andere erfelijke aritmie syndromen. Aldus kan geconcludeerd worden dat de CALM1 F90L mutatie in deze familie de oorzaak is voor de ventriculaire ritmestoornissen en plotse dood op jonge leeftijd. Onze studie breidt het spectrum van CALM-geassocieerde hartritmestoornissen uit met idiopathisch ventrikelfibrilleren, en zal naar verwachting een bijdrage leveren aan de genetische screening en behandeling van deze en andere families met dit fenotype. Vervolgonderzoek zal inzicht bieden in de pathofysiologische mechanismen van ventriculaire ritmestoornissen geassocieerd met CALM mutaties en in de pleiotropische effecten (dat wil zeggen dat mutaties in één gen geassocieerd zijn met verschillende fenotypen) van CALM mutaties. Deel III Genetische risicofactoren voor ischemie-geïnduceerde ventriculaire hartritmestoornissen Het laatste deel van dit proefschrift focust op de identificatie van genetische factoren die het risico op ventriculaire ritmestoornissen in het kader van een acuut hartinfarct (deels) bepalen, en beschrijft hoe een veelvoorkomende genetische variant het risico op ventriculaire ritmestoornissen (VF) beïnvloedt. Zoals hierboven beschreven, is uit verschillende studies gebleken dat het risico op plotse hartdood tijdens een acuut hartinfarct deels genetisch is bepaald. In hoofdstuk 7 testen we de hypothese dat bepaalde veelvoorkomende genetische varianten predisponeren tot VF tijdens een acuut hartinfarct. Middels een genome-wide association study (GWAS) in de AGNES case-control populatie bestaande uit patiënten met ventrikelfibrilleren (VF) tijdens een myocardinfarct (MI) (cases) en patiënten zonder VF tijdens een MI (controls), identificeerden we genetische varianten op chromosoom 21q21, die geassocieerd zijn met VF. We repliceerden deze bevindingen in een additionele case-control populatie van patiënten met een ventriculaire ritmestoornissen en plotse dood tijdens een hartinfarct (cases) en overlevenden van een hartinfarct (controls). In hoofdstuk 8 bediscussiëren we het concept van genetische predispositie voor VF in het kader van een acuut hartinfarct. Daarnaast bespreken we onze GWAS bevindingen en speculeren we over de rol van de chromosoom 21q21 varianten in VF. Deze chromosoom 21q21 varianten liggen upstream van het gen dat codeert voor de Coxsackie en Adenovirus Receptor (CAR). CAR is geassocieerd met virale myocarditis en gedilateerde cardiomyopathie; daarnaast heeft recent onderzoek in CAR knock-out muizen aangetoond dat CAR een rol speelt bij de atrioventriculaire geleiding in het hart. Het verband tussen de genetische varianten op chromosoom 21q21, CAR en ventriculaire geleidings- en ritmestoornissen in het kader van ischemie zijn echter nog onbekend. In hoofdstuk 9 onderzoeken we het verband tussen de chromosoom 21q21 varianten en CAR, en de rol van CAR in ventriculaire geleidings- en ritmestoornissen tijdens een infarct. In een kwantitatieve expressie studie toonden we aan dat de 21q21 VF risicovarianten geassocieerd zijn met een verlaagd CAR expressie niveau in humaan ventriculair 236
weefsel. Daarnaast onderzochten we het verband tussen CAR en ventriculaire geleiding en ritmestoornissen in heterozygote CAR knock-out muizen (CAR +/- ; deze genetisch gemodificeerde muizen brengen 50% van CAR tot expressie). Ventriculaire geleiding in geïsoleerde Langendorff-geperfundeerde harten van CAR +/- muizen was trager vergeleken met wildtype (WT) muizen. Ook ontstonden er eerder ventriculaire ritmestoornissen tijdens regionale ischemie (na occlusie van een kransslagvat) in CAR +/- harten vergeleken met WT harten. Patch-clamp experimenten met geïsoleerde hartspiercellen (cardiomyocyten) lieten een verminderde natriumstroom zien in CAR +/- cardiomyocyten vergeleken met WT cardiomyocyten. Co-immunoprecipitatie experimenten toonden aan dat CAR de natriumstroom beïnvloedt middels een complexvorming (interactie) met het cardiale natriumkanaal eiwit. Concluderend tonen onze bevindingen aan dat CAR een essentiële rol speelt in de natriumkanaal functie, ventriculaire geleiding en aritmogenese. Genetischmoleculaire determinanten van infarct-geïnduceerde ritmestoornissen (zoals CAR) kunnen in de toekomst mogelijk gebruikt worden voor risico-stratificatie bij patiënten met coronair lijden. De onderzoeken gepresenteerd in dit proefschrift leveren een bijdrage aan de snel toenemende kennis van de genetische varianten en genen die het risico op ventriculaire ritmestoornissen verhogen, zowel in het kader van erfelijke aritmie syndromen als in het kader van meer prevalente hart- en vaatziekten zoals coronair lijden. Deze studies vormen daarnaast een bron voor nieuwe hypothesen, te bestuderen in toekomstig onderzoek met als doel een beter begrip van de pathofysiologische mechanismen van ritmestoornissen en uiteindelijk het ontwikkelen van betere, gerichte diagnostiek en behandeling. NEDERLANDSE SAMENVATTING 237